Thép SKS31: Thành phần hóa học, cơ tính, nhiệt luyện, tiêu chuẩn và ứng dụng

Trong ngành cơ khí chính xác và chế tạo khuôn, việc lựa chọn đúng vật liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, khả năng chống mài mòn và tuổi thọ của dụng cụ. Thép SKS31 là một mác thép công cụ hợp kim dùng cho gia công nguội, được quy định trong tiêu chuẩn JIS G4404 và được sử dụng cho nhiều loại khuôn, dao cắt, dụng cụ đo và chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn.

SKS31 có thành phần đặc trưng gồm carbon, mangan, crom và vonfram. Sự kết hợp này giúp thép đạt độ cứng cao sau nhiệt luyện, đồng thời tạo khả năng chống mài mòn phù hợp với các ứng dụng khuôn và dụng cụ gia công nguội.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về thép SKS31, bao gồm thành phần hóa học, tính chất cơ lý, tiêu chuẩn sản xuất, nhiệt luyện, mác thép tương đương, ứng dụng thực tế, cách lựa chọn và những điểm cần lưu ý khi mua vật liệu.

Thép SKS31 là gì?

SKS31 là một loại thép công cụ hợp kim dùng cho gia công nguội, thuộc hệ tiêu chuẩn JIS G4404 của Nhật Bản. Vật liệu được sử dụng chủ yếu cho những dụng cụ và khuôn cần độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ ổn định kích thước sau nhiệt luyện.

Theo dữ liệu JIS G4404, SKS31 thuộc nhóm thép dùng cho khuôn gia công nguội. Các ứng dụng tiêu biểu được đề cập gồm dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập và khuôn cán ren.

Một điểm đáng chú ý là SKS31 có thành phần gần với hệ Cr-W-Mn tool steel, thường được đối chiếu với CrWMn trong tiêu chuẩn Trung Quốc và một số mác thép quốc tế thuộc nhóm thép dụng cụ gia công nguội.

Đặc điểm nổi bật của SKS31

Thép SKS31 có một số đặc điểm đáng chú ý:

• Hàm lượng carbon cao, khoảng 0,95–1,05%.
• Chứa crom khoảng 0,80–1,20%.
• Chứa vonfram khoảng 1,00–1,50%.
• Có mangan tương đối cao, khoảng 0,90–1,20%.
• Có khả năng đạt độ cứng cao sau tôi và ram.
• Khả năng chống mài mòn phù hợp với dụng cụ và khuôn gia công nguội.
• Có thể sử dụng cho các chi tiết yêu cầu độ chính xác kích thước và độ cứng cao sau nhiệt luyện.

Chính những đặc điểm trên khiến SKS31 phù hợp hơn với khuôn và dụng cụ gia công nguội thay vì các ứng dụng làm việc ở nhiệt độ cao hoặc dụng cụ cắt tốc độ cao.

Thành phần hóa học của thép SKS31

Thành phần hóa học là yếu tố quyết định tổ chức tế vi và khả năng nhiệt luyện của SKS31.

Theo dữ liệu JIS G4404-2022, thành phần hóa học tham khảo của SKS31 như sau:

Vai trò của Carbon

Carbon (C) nằm trong khoảng 0,95–1,05%, là thành phần quan trọng giúp SKS31 đạt độ cứng cao sau tôi.

Hàm lượng carbon này cũng giải thích vì sao SKS31 có thể đáp ứng các yêu cầu về chống mài mòn trong khuôn và dụng cụ gia công nguội.

Vai trò của Chromium

Chromium (Cr) khoảng 0,80–1,20% góp phần cải thiện khả năng tôi và độ bền của thép sau nhiệt luyện.

Không nên mô tả Cr trong SKS31 như nguyên tố tạo khả năng chống ăn mòn kiểu thép không gỉ. Hàm lượng Cr của SKS31 chủ yếu phục vụ mục tiêu cơ tính và khả năng làm việc của thép công cụ.

Vai trò của Tungsten

Vonfram (W) khoảng 1,00–1,50% là một nguyên tố hợp kim quan trọng của SKS31. W góp phần tạo cacbit và hỗ trợ khả năng chống mài mòn của vật liệu.

Đây cũng là một trong những điểm tạo nên sự khác biệt giữa SKS31 và các loại thép carbon dụng cụ đơn giản hơn.

Vai trò của Mangan

Mangan (Mn) khoảng 0,90–1,20% góp phần cải thiện khả năng tôi của thép và hỗ trợ cơ tính sau nhiệt luyện.

Sự kết hợp giữa C, Mn, Cr và W tạo nên hệ vật liệu phù hợp cho các dụng cụ và khuôn làm việc nguội.

Tính chất cơ lý của thép SKS31

Tính chất của SKS31 phụ thuộc đáng kể vào trạng thái cung cấp và chế độ nhiệt luyện.

Ở trạng thái ủ, dữ liệu JIS G4404 cho thấy độ cứng của sản phẩm cán hoặc rèn không vượt quá 217 HBW. Sau tôi và ram theo chế độ tham chiếu, dữ liệu được công bố ở khoảng HV 720.

Một số tài liệu kỹ thuật của Nhật Bản cũng ghi nhận chế độ tôi khoảng 830°C, làm nguội trong dầu, sau đó ram khoảng 180°C trong không khí, với độ cứng sau tôi và ram từ khoảng HRC 61 trở lên.

Do cách biểu thị độ cứng và điều kiện thử có thể khác nhau giữa tài liệu, khi mua vật liệu thực tế nên ưu tiên MTC và yêu cầu kỹ thuật của nhà sản xuất thay vì chỉ dựa vào một con số độ cứng trên tài liệu thương mại.

Các đặc tính quan trọng

Độ cứng cao: Sau nhiệt luyện thích hợp, SKS31 đạt độ cứng cao, phù hợp với khuôn và dụng cụ gia công nguội.

Khả năng chống mài mòn: Hàm lượng C, Cr và W giúp SKS31 có khả năng chống mài mòn tốt trong các điều kiện làm việc phù hợp.

Khả năng giữ kích thước: Khi nhiệt luyện đúng quy trình, SKS31 có thể đáp ứng các ứng dụng yêu cầu độ chính xác tương đối cao.

Khả năng gia công: Ở trạng thái ủ, SKS31 thuận lợi hơn cho quá trình gia công cơ khí trước khi tôi.

Nhiệt luyện thép SKS31

Nhiệt luyện thép SKS31 là công đoạn quan trọng để phát huy khả năng làm việc của vật liệu.

Do SKS31 có hàm lượng carbon và nguyên tố hợp kim tương đối cao, chế độ gia nhiệt, giữ nhiệt và làm nguội phải được kiểm soát phù hợp. Việc áp dụng một quy trình không phù hợp có thể gây biến dạng, nứt hoặc làm sai lệch độ cứng mong muốn.

1. Ủ thép SKS31

Theo dữ liệu JIS G4404, nhiệt độ ủ tham khảo của SKS31 nằm trong khoảng 750–800°C, sau đó làm nguội chậm.

Mục đích của quá trình ủ là:

• Giảm độ cứng.
• Tạo điều kiện thuận lợi cho gia công.
• Ổn định tổ chức vật liệu.
• Giảm ứng suất bên trong.
• Chuẩn bị tổ chức phù hợp cho quá trình nhiệt luyện tiếp theo.

Ở trạng thái ủ, độ cứng tham khảo của SKS31 không vượt quá 217 HBW.

2. Tôi thép SKS31

Chế độ tôi tham khảo của SKS31 là khoảng 830°C, sau đó làm nguội trong dầu. Một số dữ liệu hiện hành ghi khoảng 830 ±10°C.

Quá trình tôi tạo tổ chức có độ cứng cao, là cơ sở để đạt khả năng chống mài mòn cần thiết cho dụng cụ và khuôn gia công nguội.

Tuy nhiên, không nên áp dụng nhiệt độ tôi cố định cho mọi kích thước sản phẩm. Với chi tiết có hình dạng phức tạp hoặc tiết diện lớn, cần xây dựng quy trình phù hợp nhằm hạn chế biến dạng và nguy cơ nứt.

3. Ram thép SKS31

Sau khi tôi, SKS31 cần được ram để giảm ứng suất và điều chỉnh sự cân bằng giữa độ cứng và độ dai.

Nhiệt độ ram tham khảo theo dữ liệu JIS là khoảng 180°C, làm nguội trong không khí.

Đối với chi tiết có yêu cầu kỹ thuật cao, chế độ ram cần được xác định dựa trên kích thước chi tiết, yêu cầu độ cứng và điều kiện làm việc thực tế.

Có cần thấm carbon cho SKS31 không?

Không nên xem thấm carbon là quy trình nhiệt luyện tiêu chuẩn của SKS31.

SKS31 vốn đã có hàm lượng carbon khoảng 0,95–1,05% và được thiết kế để đạt độ cứng thông qua tôi và ram. Vì vậy, đoạn nội dung cho rằng có thể áp dụng thấm carbon như một quy trình thông thường để tăng độ cứng bề mặt cho SKS31 là không phù hợp với cách sử dụng vật liệu này.

Trong trường hợp cần một chi tiết có lõi dai và bề mặt cứng, nên lựa chọn loại thép và phương pháp xử lý bề mặt được thiết kế cho mục tiêu đó ngay từ đầu.

Ứng dụng của thép SKS31

SKS31 được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng gia công nguội, nơi yêu cầu độ cứng và khả năng chống mài mòn tương đối cao. Dữ liệu JIS liệt kê các nhóm ứng dụng như dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập và khuôn cán ren.

Khuôn dập nguội

Đây là một trong những ứng dụng phù hợp của SKS31.

Vật liệu có thể được sử dụng cho một số loại khuôn dập, khuôn đột và chi tiết khuôn nguội cần độ cứng và chống mài mòn sau nhiệt luyện.

Tuy nhiên, lựa chọn cuối cùng phải dựa trên lực dập, vật liệu phôi, tốc độ sản xuất, mức độ mài mòn và yêu cầu tuổi thọ khuôn.

Khuôn cán ren

SKS31 có thể được sử dụng trong một số loại dụng cụ và khuôn cán ren, nơi độ cứng và khả năng chống mài mòn đóng vai trò quan trọng. Đây là ứng dụng được liệt kê trong dữ liệu vật liệu JIS.

Dao cắt và dụng cụ cắt nguội

SKS31 phù hợp với một số loại dao cắt, dao xén và dụng cụ cắt nguội cần độ cứng cao.

Tuy nhiên, không nên mở rộng thành “dao phay, mũi khoan và mọi dụng cụ cắt tốc độ cao”. Với dụng cụ cắt làm việc ở tốc độ cao và nhiệt độ cao, nhóm thép gió như SKH51 thường phù hợp hơn.

Dụng cụ đo

Khả năng đạt độ cứng cao và duy trì kích thước sau nhiệt luyện giúp SKS31 được sử dụng cho một số dụng cụ đo và chi tiết yêu cầu ổn định kích thước.

Một số chi tiết chịu mài mòn

SKS31 có thể được sử dụng cho các chi tiết làm việc trong điều kiện mài mòn nếu yêu cầu về độ dai và tải trọng phù hợp.

Tuy nhiên, không nên mặc định dùng SKS31 cho mọi loại con lăn, trục hoặc bánh răng chịu tải cao. Những chi tiết này thường cần được lựa chọn vật liệu dựa trên tải trọng, ứng suất tiếp xúc, độ sâu tôi và cơ chế phá hỏng thực tế.

So sánh thép SKS31 với SKS3

SKS31 và SKS3 có nhiều điểm tương đồng vì đều là thép công cụ gia công nguội trong JIS G4404.

Theo dữ liệu kỹ thuật của Nhật Bản, SKS31 có:

• C: 0,95–1,05%.
• Mn: 0,90–1,20%.
• Cr: 0,80–1,20%.
• W: 1,00–1,50%.

Trong khi SKS3 có hàm lượng C thấp hơn và Cr, W cũng thấp hơn.

SKS31 có hàm lượng Cr và W cao hơn SKS3 theo phạm vi thành phần được công bố, nhưng không nên chỉ dựa vào thành phần để kết luận mác nào “tốt hơn”. Việc lựa chọn phải dựa trên yêu cầu cụ thể của khuôn hoặc dụng cụ.

So sánh SKS31 với SKD11

SKD11 và SKS31 đều được sử dụng trong lĩnh vực gia công nguội nhưng có sự khác biệt rõ rệt về hệ hợp kim.

SKS31 thuộc hệ Cr-W-Mn với khoảng 0,95–1,05% C, 0,80–1,20% Cr và 1,00–1,50% W.

Trong khi đó, SKD11 là thép khuôn nguội có hàm lượng Cr cao hơn đáng kể và được thiết kế để đạt khả năng chống mài mòn cao.

Vì vậy, không nên nói đơn giản rằng SKD11 “tốt hơn” SKS31. Hai mác có định hướng vật liệu khác nhau.

SKS31 có phải là thép khuôn nhựa không?

SKS31 có thể xuất hiện trong một số ứng dụng khuôn hoặc chi tiết khuôn, nhưng không nên xem đây là mác thép chuyên dụng cho khuôn ép nhựa.

Dữ liệu JIS xác định SKS31 chủ yếu cho các ứng dụng gia công nguội như dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập và khuôn cán ren.

Khuôn ép nhựa thường được lựa chọn dựa trên các yêu cầu khác như:

• Khả năng đánh bóng.
• Khả năng chống ăn mòn.
• Độ ổn định kích thước.
• Khả năng gia công.
• Độ cứng.
• Tuổi thọ khuôn.

Do đó, không nên đưa khuôn ép nhựa vào nhóm ứng dụng chính của SKS31 nếu không có yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

SKS31 có phải thép đúc áp lực không?

Không.

Khuôn đúc áp lực thường phải chịu nhiệt độ, áp suất và chu kỳ nhiệt cao. Đây là môi trường làm việc khác với nhóm khuôn gia công nguội mà SKS31 được thiết kế cho.

Với khuôn đúc áp lực, cần xem xét các mác thép khuôn nóng chuyên dụng thay vì mặc định sử dụng SKS31.

Mác thép tương đương SKS31

Trong các bảng đối chiếu quốc tế, SKS31 thường được liên hệ với hệ CrWMn và các mác như 105WCr1, 105WCr6, 1.2419 và AISI/O7.

Một số bảng thương mại cũng liệt kê CrWMn – SKS31 – STS31 – 105WCr1 – 105WCr6 trong cùng nhóm đối chiếu.

Tuy nhiên, không nên hiểu đây là các mác hoàn toàn tương đương trong mọi trường hợp. Phạm vi thành phần hóa học, yêu cầu cơ tính, quy cách sản phẩm và nhiệt luyện có thể khác nhau.

Khi thay thế SKS31 bằng một mác quốc tế, cần kiểm tra MTC, thành phần hóa học và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết trước khi đưa vào sản xuất.

Tiêu chuẩn sản xuất thép SKS31

Tiêu chuẩn quan trọng nhất khi đặt mua SKS31 là:

JIS G4404 – Alloy Tool Steels.

Dữ liệu hiện có xác nhận SKS31 trong JIS G4404-2015 và JIS G4404-2022.

Khi đặt hàng, nên ghi rõ:

SKS31 – JIS G4404

thay vì chỉ ghi “thép SKS31”.

Những thông tin nên thể hiện trên đơn hàng

• Mác thép: SKS31.
• Tiêu chuẩn: JIS G4404.
• Quy cách: đường kính, chiều dày, chiều rộng hoặc kích thước phôi.
• Trạng thái cung cấp: ủ hoặc theo yêu cầu.
• Yêu cầu độ cứng nếu có.
• Xuất xứ.
• Chứng chỉ vật liệu.
• Số heat/lot.

Cách chọn mua thép SKS31

Đối với các ứng dụng khuôn và dụng cụ chính xác, không nên chỉ dựa vào tên mác.

Kiểm tra đúng tiêu chuẩn

Trước tiên cần xác nhận vật liệu là SKS31 theo JIS G4404.

Kiểm tra thành phần hóa học

MTC nên thể hiện các nguyên tố quan trọng như:

• C.
• Si.
• Mn.
• P.
• S.
• Cr.
• W.

Đặc biệt, thành phần W là một đặc điểm quan trọng của SKS31.

Kiểm tra trạng thái cung cấp

Nếu cần gia công trước khi nhiệt luyện, vật liệu ở trạng thái ủ thường thuận lợi hơn.

Theo JIS, độ cứng trạng thái ủ của sản phẩm cán hoặc rèn SKS31 không vượt quá 217 HBW.

Kiểm tra bề mặt

Vật liệu cần được kiểm tra các khuyết tật như:

• Nứt.
• Rỗ.
• Phân lớp.
• Gỉ nghiêm trọng.
• Sai lệch kích thước.

Đối với thép làm khuôn, chất lượng bề mặt và độ đồng đều của vật liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình gia công và nhiệt luyện.

Bảo quản thép SKS31

SKS31 không phải thép không gỉ nên cần được bảo quản tránh ẩm và oxy hóa.

Một số biện pháp nên áp dụng:

• Bảo quản trong kho có mái che.
• Đặt thép trên giá hoặc pallet.
• Không để vật liệu tiếp xúc trực tiếp với nền ẩm.
• Hạn chế nước đọng trên bề mặt.
• Sử dụng dầu chống gỉ khi lưu kho dài ngày.
• Kiểm tra định kỳ bề mặt.
• Làm sạch và xử lý gỉ sớm nếu phát hiện.

Đặc biệt, những phôi thép đã gia công sơ bộ cần được bảo vệ kỹ để tránh phát sinh lớp gỉ làm ảnh hưởng đến kích thước và chất lượng bề mặt.

Báo giá thép SKS31 phụ thuộc vào yếu tố nào?

Không nên đưa một mức giá cố định cho thép SKS31, bởi giá thực tế thay đổi theo thời điểm và quy cách.

Các yếu tố ảnh hưởng gồm:

• Kích thước.
• Hình dạng sản phẩm.
• Dung sai.
• Xuất xứ.
• Nhà sản xuất.
• Trạng thái ủ hoặc nhiệt luyện.
• Số lượng.
• Chứng chỉ MTC.
• Yêu cầu cắt theo quy cách.
• Chi phí vận chuyển.

Do đó, khi yêu cầu báo giá nên cung cấp đầy đủ SKS31 – JIS G4404 + quy cách + số lượng + trạng thái vật liệu.

Những sai lầm thường gặp khi lựa chọn SKS31

Nhầm SKS31 với SKS3

Hai mác có nhiều điểm tương đồng nhưng không hoàn toàn giống nhau về thành phần. SKS31 có Cr và W cao hơn theo phạm vi thành phần được công bố.

Nhầm SKS31 với SKD11

Cả hai đều dùng trong gia công nguội nhưng hệ hợp kim và đặc tính sử dụng khác nhau. Không nên thay thế trực tiếp nếu chưa đánh giá yêu cầu của khuôn.

Cho rằng SKS31 là thép HSS

SKS31 không phải thép gió. Nếu dụng cụ làm việc ở tốc độ cắt cao và nhiệt độ cao, cần xem xét nhóm SKH/HSS phù hợp hơn.

Đưa thấm carbon vào quy trình tiêu chuẩn

SKS31 đã có hàm lượng carbon cao và được nhiệt luyện chủ yếu bằng tôi + ram. Thấm carbon không phải quy trình tiêu chuẩn để xử lý SKS31.

Chỉ quan tâm đến độ cứng

Độ cứng cao không đồng nghĩa vật liệu luôn phù hợp. Cần xem xét thêm khả năng chống mài mòn, độ dai, biến dạng sau nhiệt luyện và điều kiện làm việc thực tế.

Câu hỏi thường gặp về thép SKS31

SKS31 là thép gì?

SKS31 là thép công cụ hợp kim dùng cho gia công nguội, thuộc tiêu chuẩn JIS G4404. Vật liệu được sử dụng cho khuôn, dao cắt, dụng cụ đo và khuôn cán ren.

Thành phần hóa học của SKS31 gồm những gì?

Thành phần chính gồm C 0,95–1,05%; Si ≤0,35%; Mn 0,90–1,20%; Cr 0,80–1,20%; W 1,00–1,50%; P và S ≤0,03%.

SKS31 có độ cứng bao nhiêu?

Ở trạng thái ủ, độ cứng tham khảo ≤217 HBW. Sau tôi và ram, dữ liệu kỹ thuật JIS cho mức khoảng HV720; một tài liệu kỹ thuật của Nhật ghi nhận chế độ tôi 830°C dầu, ram 180°C không khí với độ cứng từ khoảng HRC61.

SKS31 tương đương thép nào?

Các bảng đối chiếu thường liên hệ SKS31 với CrWMn, 105WCr1, 105WCr6, 1.2419 và O7. Đây là các đối chiếu tham khảo, không nên mặc định là tương đương tuyệt đối.

SKS31 có tốt hơn SKD11 không?

Không thể kết luận mác nào tốt hơn một cách tuyệt đối. SKS31 phù hợp với nhiều dụng cụ và khuôn gia công nguội, trong khi SKD11 thường được lựa chọn khi yêu cầu chống mài mòn cao hơn.

SKS31 có dùng làm khuôn ép nhựa không?

Không nên xem đây là ứng dụng chính của SKS31. Theo dữ liệu JIS, các ứng dụng tiêu biểu là dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập và khuôn cán ren.

SKS31 có dùng làm dao cắt được không?

Có. Dao cắt và các dụng cụ cắt nguội là một trong những nhóm ứng dụng phù hợp của SKS31.

Kết luận

Thép SKS31 là thép công cụ hợp kim dành cho gia công nguội, nổi bật với khả năng đạt độ cứng cao và chống mài mòn tốt sau nhiệt luyện. Theo dữ liệu JIS G4404-2022, vật liệu có thành phần khoảng 0,95–1,05% C, 0,90–1,20% Mn, 0,80–1,20% Cr và 1,00–1,50% W, cùng giới hạn Si, P và S được kiểm soát chặt chẽ.

SKS31 đặc biệt phù hợp với các ứng dụng như khuôn dập nguội, khuôn cán ren, dao cắt, dụng cụ đo và các chi tiết dụng cụ cần độ cứng và khả năng chống mài mòn. Đây cũng là điểm cần phân biệt SKS31 với SKD11, SKH51 và các mác thép công cụ khác.

Khi mua vật liệu, nên xác nhận rõ SKS31 – JIS G4404, quy cách, trạng thái cung cấp, thành phần hóa học và chứng chỉ MTC. Với các mác được xem là tương đương như CrWMn, 105WCr6 hoặc O7, cần kiểm tra thành phần và yêu cầu kỹ thuật trước khi thay thế.

Lựa chọn đúng vật liệu ngay từ đầu không chỉ giúp quá trình gia công ổn định hơn mà còn góp phần kiểm soát tuổi thọ khuôn, chi phí nhiệt luyện và chi phí bảo trì trong suốt vòng đời sản phẩm.